Los científicos utilizan un dispositivo cuántico para ralentizar una reacción química simulada

Científicos de la Universidad de Sydneytener, por primera vez, utilizó una computadora cuántica para diseñar y observar directamente un proceso crítico en las reacciones químicas ralentizándolo en un factor de 100 mil millones de veces.

La investigadora principal conjunta y estudiante de doctorado, Vanessa Olaya Agudelo, dijo: “Al comprender estos procesos básicos dentro y entre las moléculas podemos abrir un nuevo mundo de posibilidades en la ciencia de los materiales, el diseño de fármacos o la recolección de energía solar. También podría ayudar a mejorar otros procesos que dependen de la interacción de moléculas con la luz, como por ejemplo cómo se crea el smog o cómo se daña la capa de ozono”.

Específicamente, el equipo de investigación fue testigo del patrón de interferencia de un solo átomo causado por una estructura geométrica común en química llamada "intersección cónica".

Las intersecciones cónicas son conocidas en toda la química y son vitales para procesos fotoquímicos rápidos, como la captación de luz en la visión humana o la fotosíntesis.

Los químicos han intentado observar directamente estos procesos geométricos en la dinámica química desde la década de 1950, pero no es factible observarlos directamente dadas las escalas de tiempo extremadamente rápidas involucradas.

Para solucionar este problema, los investigadores cuánticos de la Facultad de Física y la Facultad de Química crearon un experimento utilizando una computadora cuántica de iones atrapados de una manera completamente nueva. Esto les permitió diseñar y mapear este problema tan complicado en un dispositivo cuántico relativamente pequeño y luego ralentizar el proceso en un factor de 100 mil millones.

Los resultados de su investigación se publican en Nature Chemistry.

"En la naturaleza, todo el proceso finaliza en femtosegundos", afirma Olaya Agudelo, de la Facultad de Química. “Eso es una milmillonésima de millonésima (o una cuatrillonésima) de segundo. Usando nuestra computadora cuántica, construimos un sistema que nos permitió ralentizar la dinámica química de femtosegundos a milisegundos. Esto nos permitió realizar observaciones y mediciones significativas. Esto nunca se ha hecho antes."

El autor principal conjunto, el Dr. Christophe Valahu, de la Facultad de Física, dijo: “Hasta ahora, no hemos podido observar directamente la dinámica de la 'fase geométrica'; Sucede demasiado rápido para investigarlo experimentalmente. Utilizando tecnologías cuánticas, hemos abordado este problema”.

Valahu dijo que es similar a simular los patrones de aire alrededor del ala de un avión en un túnel de viento.

"Nuestro experimento no fue una aproximación digital del proceso; fue una observación analógica directa de la dinámica cuántica que se desarrolla a una velocidad que pudimos observar", dijo.

En reacciones fotoquímicas como la fotosíntesis, mediante la cual las plantas obtienen su energía del Sol, las moléculas transfieren energía a la velocidad del rayo, formando áreas de intercambio conocidas como intersecciones cónicas.

Este estudio ralentizó la dinámica en la computadora cuántica y reveló las características reveladoras predichas, pero nunca antes vistas, asociadas con las intersecciones cónicas en la fotoquímica.

El coautor y líder del equipo de investigación, el profesor asociado Ivan Kassal de la Facultad de Química y el Nano Institute de la Universidad de Sydney, dijo: “Este emocionante resultado nos ayudará a comprender mejor la dinámica ultrarrápida: cómo las moléculas cambian en las escalas de tiempo más rápidas. Es tremendo que en la Universidad de Sydney tengamos acceso a la mejor computadora cuántica programable del país para realizar estos experimentos”.

La computadora cuántica utilizada para realizar el experimento se encuentra en el Laboratorio de Control Cuántico del profesor Michael Biercuk, fundador de la startup cuántica Q-CTRL. El esfuerzo experimental fue dirigido por el Dr. Ting Rei Tan.

Tan, coautor del estudio, dijo: “Se trata de una colaboración fantástica entre teóricos de la química y físicos cuánticos experimentales. Estamos utilizando un nuevo enfoque en física para abordar un problema de larga data en química”.

- Este comunicado de prensa se publicó originalmente en el sitio web de la Universidad de Sydney.